Мехатронные системы: шпаргалка-пакет

Листы формул, ключевые шаги методов по каждой теме и тренировочные задачи (12) с полными решениями в конце.

Новые задачиНазад к курсу

В окне печати выберите «Сохранить как PDF», чтобы сохранить копию на своём устройстве.

1Формулы и методы

Двигатели постоянного тока

Цепь якоря
V = E + IaRa
Противо-ЭДС и момент
E = k·ω, T = k·Ia
Скорость
ω = 2π·n/60, ω = (V − IaRa)/k
Скорость холостого хода и момент при заторможенном роторе
ω0 = V/k, Tstall = k·V/Ra
Мощности
Pin = V·Ia, Pdev = E·Ia = T·ω, Pout = Pdev − Prot
Пуск
Istart = V/(Ra + Rst)
Регулирование скорости
SR = (n0 − nFL)/nFL
Максимальная развиваемая мощность
Pmax = V²/(4Ra)
Привод с прерывателем
Va = D·Vdc

Метод

  1. Нарисуйте цепь якоря: источник V, сопротивление Ra и противо-ЭДС E включены последовательно.
  2. Используйте V = E + Ia·Ra, чтобы связать напряжение, ток и противо-ЭДС.
  3. Используйте E = k·ω для скорости и T = k·Ia для момента, где ω = 2π·n/60.
  4. Для мощности и КПД начните с V·Ia, вычтите потери в меди Ia²·Ra, а затем потери на вращение.

Зубчатые колёса и передачи

Зацепление колёс
n1·N1 = n2·N2
Крутящий момент
T2 = T1·(N2/N1)·η
Мощность
P = T·ω, ω = 2π·n/60
Многоступенчатая передача
общее передаточное отношение = произведение передаточных отношений ступеней

Сбор данных и дискретизация

Критерий Найквиста
fs > 2·fmax, fN = fs/2
Ложная частота
fa = |f − k·fs|, k = round(f/fs)
Шаг квантования
1 LSB = VFSR/2ᴺ
Ошибка квантования (округление)
±½ LSB
АЦП с отбрасыванием остатка
D = ⌊Vin/LSB⌋
Число разрядов для разрешения r
2ᴺ ≥ span/r
Идеальное SQNR, синусоида на полной шкале
SQNR = 6,02·N + 1,76 dB
Скорость передачи данных
каналы × fs × N bit/s
АЦП с мультиплексором
fs = 1/(n·(tc + tset))
UART
Tb = 1/baud; 8N1 = 10 бит на байт; byte/s = baud/число бит в кадре
Делитель скорости передачи
baud = fclk/(16·D)

Метод

  1. Запишите, что дано: частоту дискретизации, частоты сигналов, число разрядов, диапазон входа, скорость в бодах.
  2. В задачах на дискретизацию сравнивайте каждую частоту с fs/2; более высокая частота появляется как fa = |f − k·fs| с ближайшим кратным fs.
  3. В задачах на разрешение найдите 1 LSB = VFSR/2ᴺ или наименьшее N, при котором 2ᴺ ≥ диапазон/разрешение.
  4. Для скоростей передачи данных и каналов UART считайте всё, что передаётся: каналы, отсчёты в секунду, биты или целые байты на отсчёт, а также стартовые, контрольные и стоповые биты каждого кадра.

Мост Уитстона и тензорезисторы

Напряжения делителей
Va = VsR2/(R1 + R2), Vb = VsR4/(R3 + R4)
Выделение
Vab = Va − Vb
Баланс
R1/R2 = R3/R4
Реохордный мост
R/Rx = l/(100 − l)
Сопротивление Тевенина
Rth = R1∥R2 + R3∥R4
Коэффициент тензочувствительности
ΔR/R = GF·ε
Выход моста
четвертьмост Vs·GF·ε/4, полумост Vs·GF·ε/2, полный мост Vs·GF·ε
Малое изменение, одно плечо
Vab ≈ Vs·ΔR/(4R)
Напряжение
σ = E·ε

Метод

  1. Рассматривайте мост как два делителя напряжения от одного источника.
  2. Для равновесия приравняйте R₁/R₂ = R₃/R₄ и найдите неизвестный резистор.
  3. Для неуравновешенного моста найдите Va и Vb по делителям и вычтите; используйте эквивалент Тевенина, когда прибор нагружает выход.
  4. Для тензорезисторов переведите деформацию в ΔR/R = GF·ε и используйте Vs·GF·ε/4, /2 или ×1 для четвертьмоста, полумоста или полного моста.

Установившаяся ошибка и ПИД-регулирование

Тип системы
число полюсов G(s) в точке s = 0
Коэффициенты ошибок
Kp = lim G(s), Kv = lim s·G(s), Ka = lim s²·G(s) (s → 0)
Ступенька A
ess = A/(1 + Kp)
Линейное воздействие A·t
ess = A/Kv
Парабола A·t²/2
ess = A/Ka
ПИД-регулятор
C(s) = Kp + Ki/s + Kd·s
Целевая система второго порядка
s² + 2ζωns + ωn²
Перерегулирование и временные характеристики
%OS = 100·e−ζπ/√(1−ζ²), tp = π/ωd, ts ≈ 4/(ζωn)

Метод

  1. Посчитайте полюса разомкнутого контура C(s)·G(s) в точке s = 0: это тип системы.
  2. Найдите коэффициент ошибки, соответствующий входу: Kp для ступеньки, Kv для линейного воздействия, Ka для параболы.
  3. Примените ess = A/(1 + Kp), A/Kv или A/Ka либо решите это уравнение относительно нужного коэффициента усиления.
  4. Для требований по демпфированию или скорости запишите характеристический полином замкнутой системы и приравняйте его коэффициенты к s² + 2ζω_n·s + ω_n².

2Тренировочные задачи

1.Двигатели постоянного токаСредняя
+−VRa​M+−En = 750 rpmT = ?

Двигатель постоянного тока отдаёт механическую мощность 3 kW при 750 rpm. Найдите момент на валу T.

P = 3 kWn = 750 rpm
T = N·m
2.Двигатели постоянного токаСложная
+−120 VRa​ = 1 ΩIa​: 6 → 3 AM+−En = ?T

Двигатель постоянного тока независимого возбуждения на 120 V (Ra = 1 Ω) вращается со скоростью 1200 rpm при токе якоря 6 A. Нагрузка изменяется, и ток становится равным 3 A при неизменном поле. Найдите новую скорость n2.

V = 120 VRa = 1 Ωn1 = 1200 rpmIa1 = 6 AIa2 = 3 A
n2 = rpm
3.Зубчатые колёса и передачиСредняя
N1​ = ?N2​

Два параллельных вала расположены на расстоянии 192 mm. Их нужно соединить парой прямозубых колёс с модулем 4 mm и передаточным отношением 5 : 1 (понижающая передача). Сколько зубьев N1 должна иметь шестерня?

a = 192 mmm = 4 mmi = 5
N1 =
4.Зубчатые колёса и передачиСложная
A = 18B = 50C = 18D = ?

В многоступенчатой зубчатой передаче колесо A (18 зубьев) на входном валу вращается с частотой 960 rpm и приводит колесо B (50 зубьев). Колесо C (18 зубьев) закреплено на одном валу с B и приводит колесо D на выходном валу. Выходной вал должен вращаться с частотой 129,6 rpm. Сколько зубьев ND должно иметь колесо D?

nin = 960 rpmA = 18B = 50C = 18nout = 129,6 rpm
ND =
5.Сбор данных и дискретизацияСредняя
Vin​N = ?150 °C2ᴺ − 10≤ 0,05 °C

Датчик измеряет температура в диапазоне 150 °C, и его выход заполняет весь диапазон входа АЦП. Показание должно различать 0,05 °C. Найдите наименьшее число разрядов N, которое нужно АЦП.

диапазон = 150 °Cразрешение = 0,05 °C
N =
6.Сбор данных и дискретизацияСложная
T1 mV/°C×5∿01N = 8, 10 V? °C/LSB

Датчик температуры выдаёт 1 mV/°C (0 V при 0 °C). Его сигнал усиливается в 5 раз и подаётся на 8-разрядный АЦП с диапазоном от 0 до 10 V (1 LSB = VFSR/2ᴺ). Найдите изменение температуры ΔTLSB, соответствующее одному LSB.

S = 1 mV/°CG = 5N = 8VFSR = 10 V
ΔTLSB = °C
7.Мост Уитстона и тензорезисторыСредняя
+−12 VR1​ = 500 ΩR2​ = 1000 ΩR3​ = 50 ΩR4​ = 800 Ωab+−Rth​ = ?

Найдите сопротивление Тевенина Rth показанного моста со стороны выходных зажимов a и b.

Vs = 12 VR1 = 500 ΩR2 = 1000 ΩR3 = 50 ΩR4 = 800 Ω
Rth = Ω
8.Мост Уитстона и тензорезисторыСложная
+−2,5 V120 Ω120 Ω + ΔR120 Ω120 Ωab+−1,5 mV

Четвертьмост с одним активным тензорезистором (GF = 2) питается напряжением 2,5 V. Под нагрузкой выход показывает 1,5 mV. Найдите деформацию ε в µε.

Vs = 2,5 VGF = 2Vo = 1,5 mV
ε = µε
9.Установившаяся ошибка и ПИД-регулированиеСредняя
R(s)+K = 245s + 1C(s)−

Процесс G(s) = 4/(5s + 1) управляется пропорциональным коэффициентом усиления K = 2 в контуре с единичной обратной связью. Найдите установившуюся ошибку ess по ступеньке в процентах от величины ступеньки.

G(s) = 4/(5s + 1)K = 2
ess = %
10.Установившаяся ошибка и ПИД-регулированиеСложная
R(s)+K = 201s(s + 5)C(s)−

Пропорциональный регулятор K = 20 управляет объектом G(s) = 1/(s(s + 5)) в контуре с единичной обратной связью. Найдите перерегулирование %OS переходной характеристики в процентах.

G(s) = 1/(s(s + 5))K = 20
%OS = %
11.Переходная характеристикаСредняя
t (s)y(t)0,5

Система имеет передаточную функцию G(s) = 7,5/(s² + 3s + 15) и получает на вход единичную ступеньку. Полюсы равны s = σ ± jωd. Найдите вещественную часть σ.

G(s) = 7,5/(s² + 3s + 15)
σ =
12.Переходная характеристикаСложная
k = 500 N/mc = 28 N·s/mm = 10 kgF = 50 Nx(t)

Масса m = 10 kg подвешена на пружине k = 500 N/m с вязким демпфером c = 28 N·s/m (m·x″ + c·x′ + k·x = F). Из состояния покоя в равновесии внезапно прикладывается постоянная сила F = 50 N. Найдите перерегулирование %OS смещения в процентах.

m = 10 kgk = 500 N/mc = 28 N·s/mF = 50 N
%OS = %

3Растворы

1.Двигатели постоянного тока

Ответ: T = 38,2 N·m

Двигатель постоянного тока: якорь — это сопротивление Ra, последовательно с которым включена противо-ЭДС E, поэтому V = E + Ia·Ra. Противо-ЭДС растёт со скоростью, E = k·ω, а момент — с током, T = k·Ia, с одной и той же постоянной двигателя k (V·s/rad = N·m/A) в единицах СИ. Скорости переводите по формуле ω = 2π·n/60. Развиваемая мощность равна E·Ia = T·ω; входная мощность равна V·Ia, а разницу составляют потери в меди Ia²Ra и потери на вращение. Скорость линейно падает с моментом, ω = V/k − Ra·T/k², от скорости холостого хода V/k до нуля при моменте при заторможенном роторе k·V/Ra. В неподвижном состоянии E = 0, поэтому пусковой ток V/Ra велик, если его не ограничивает резистор.

Скорость в rad/s

ω = 2π·750/60 = 78,54 rad/s

Крутящий момент

T = P/ω = 3000/78,54 = 38,2 N·m

Ответ

T = 38,2 N·m
2.Двигатели постоянного тока

Ответ: n2 = 1232 rpm

Двигатель постоянного тока: якорь — это сопротивление Ra, последовательно с которым включена противо-ЭДС E, поэтому V = E + Ia·Ra. Противо-ЭДС растёт со скоростью, E = k·ω, а момент — с током, T = k·Ia, с одной и той же постоянной двигателя k (V·s/rad = N·m/A) в единицах СИ. Скорости переводите по формуле ω = 2π·n/60. Развиваемая мощность равна E·Ia = T·ω; входная мощность равна V·Ia, а разницу составляют потери в меди Ia²Ra и потери на вращение. Скорость линейно падает с моментом, ω = V/k − Ra·T/k², от скорости холостого хода V/k до нуля при моменте при заторможенном роторе k·V/Ra. В неподвижном состоянии E = 0, поэтому пусковой ток V/Ra велик, если его не ограничивает резистор.

Противо-ЭДС до и после

E1 = 120 − 6·1 = 114 V
E2 = 120 − 3·1 = 117 V

Новая скорость

n2 = 1200·117/114 = 1232 rpm

Ответ

n2 = 1232 rpm
3.Зубчатые колёса и передачи

Ответ: N1 = 16

Gear geometry: the module m sets the tooth size. A gear with N teeth has a pitch diameter d = m·N, two meshing gears have the same module, and their centre distance is a = (d₁ + d₂)/2 = m·(N₁ + N₂)/2. The pitch-line speed is v = π·d·n/60, and the tangential tooth force follows from the torque: Ft = 2T/d.

Суммарное число зубьев

N1 + N2 = 2a/m = 2·192/4 = 96

Делим по передаточному отношению

N1 = 96/(1 + 5) = 16

Ответ

N1 = 16
4.Зубчатые колёса и передачи

Ответ: ND = 48

Gear trains: meshing gears have the same speed at the teeth, so n₁·N₁ = n₂·N₂: the gear with fewer teeth turns faster. Gears on one shaft turn at the same speed. Power is passed on (minus losses), so torque goes up when speed goes down: T₂ = T₁·(N₂/N₁)·η, and P = T·ω with ω = 2π·n/60.

Частота вращения промежуточного вала

nB = nC = 960·18/50 = 345,6 rpm

Число зубьев колеса D

ND = C·nC/nout = 18·345,6/129,6 = 48

Ответ

ND = 48
5.Сбор данных и дискретизация

Ответ: N = 12

Разрешение АЦП: N-разрядный преобразователь делит свой диапазон полной шкалы VFSR на 2ᴺ кодов, от 0 до 2ᴺ − 1. Один шаг равен 1 LSB = VFSR/2ᴺ: это наименьшее изменение, которое преобразователь может показать. АЦП с отбрасыванием остатка выдаёт код ⌊Vin/LSB⌋; АЦП с округлением никогда не отличается от истинного значения больше чем на ½ LSB, это его ошибка квантования. Каждый дополнительный разряд уменьшает LSB вдвое и добавляет примерно 6 dB к идеальному отношению сигнал/шум квантования SQNR = 6,02·N + 1,76 dB для синусоиды на полной шкале. Чтобы получить разрешение r в некотором диапазоне, выберите наименьшее N, для которого 2ᴺ ≥ диапазон/r.

Необходимое число шагов

150/0,05 = 3000

Разряды

log₂(3000) = 11,55
211 = 2048 < 3000 ≤ 212 = 4096
N = 12

Ответ

N = 12
6.Сбор данных и дискретизация

Ответ: ΔTLSB = 7,813 °C

Разрешение АЦП: N-разрядный преобразователь делит свой диапазон полной шкалы VFSR на 2ᴺ кодов, от 0 до 2ᴺ − 1. Один шаг равен 1 LSB = VFSR/2ᴺ: это наименьшее изменение, которое преобразователь может показать. АЦП с отбрасыванием остатка выдаёт код ⌊Vin/LSB⌋; АЦП с округлением никогда не отличается от истинного значения больше чем на ½ LSB, это его ошибка квантования. Каждый дополнительный разряд уменьшает LSB вдвое и добавляет примерно 6 dB к идеальному отношению сигнал/шум квантования SQNR = 6,02·N + 1,76 dB для синусоиды на полной шкале. Чтобы получить разрешение r в некотором диапазоне, выберите наименьшее N, для которого 2ᴺ ≥ диапазон/r.

Шаг квантования

1 LSB = 10000/256 = 39,06 mV

Чувствительность на входе АЦП

1·5 = 5 mV/°C

Температурное разрешение

ΔTLSB = 39,06/5 = 7,813 °C

Ответ

ΔTLSB = 7,813 °C

АЦП достигает полной шкалы при 2000 °C.

7.Мост Уитстона и тензорезисторы

Ответ: Rth = 380,4 Ω

Мост Уитстона: два делителя напряжения питаются от одного источника Vs. Левый делитель R1–R2 даёт Va = Vs·R2/(R1 + R2), а правый делитель R3–R4 даёт Vb = Vs·R4/(R3 + R4); выход равен Vab = Va − Vb. Мост уравновешен (Vab = 0, ток через прибор отсутствует), когда R1/R2 = R3/R4, то есть R1·R4 = R2·R3. Со стороны выхода мост — это источник Тевенина с Rth = R1∥R2 + R3∥R4.

Источник замкнут накоротко

R₁∥R₂ = 500·1000/1500 = 333,3 Ω
R₃∥R₄ = 50·800/850 = 47,06 Ω

Сопротивление Тевенина

Rth = 380,4 Ω

Ответ

Rth = 380,4 Ω
8.Мост Уитстона и тензорезисторы

Ответ: ε = 1200 µε

Тензорезисторы: тензорезистор изменяет своё сопротивление при деформации: ΔR/R = GF·ε, где коэффициент тензочувствительности GF для металлической фольги около 2. В мосту, все плечи которого равны R, один активный тензорезистор (четвертьмост) даёт Vo ≈ Vs·GF·ε/4. Два активных тензорезистора с противоположными деформациями в соседних плечах (полумост) дают Vs·GF·ε/2, а четыре (полный мост) — Vs·GF·ε. Напряжение находится по закону Гука, σ = E·ε. Тензометрические датчики силы указывают чувствительность в mV/V: выход при полной нагрузке на каждый вольт питания.

Решите уравнение четвертьмоста

ε = 4·0,0015/(2,5·2) = 0,0012

В микродеформациях

ε = 1200 µε

Ответ

ε = 1200 µε
9.Установившаяся ошибка и ПИД-регулирование

Ответ: ess = 11,11 %

Установившаяся ошибка: в контуре с единичной обратной связью и передаточной функцией разомкнутой системы G(s) ошибка равна E(s) = R(s)/(1 + G(s)), а по теореме о конечном значении ess = lims→0 s·E(s). Тип системы — это число полюсов G(s) в точке s = 0. Коэффициенты ошибок: Kp = lim G(s), Kv = lim s·G(s) и Ka = lim s²·G(s), все при s → 0. Ступенчатое воздействие величиной A даёт ess = A/(1 + Kp), линейное A·t даёт A/Kv, а параболическое A·t²/2 даёт A/Ka. Контур типа 0 отслеживает ступеньку с конечной ошибкой, контур типа 1 отслеживает её точно, а линейное воздействие — с конечной ошибкой.

Коэффициент позиционной ошибки

Kp = 2·4 = 8

Ошибка по ступеньке

ess = 100/(1 + 8) = 11,11 %

Ответ

ess = 11,11 %
10.Установившаяся ошибка и ПИД-регулирование

Ответ: %OS = 12,03 %

П-, ПИ- и ПИД-регулирование: регулятор C(s) = Kp + Ki/s + Kd·s воздействует на ошибку. Пропорциональный коэффициент ускоряет контур и уменьшает ошибку объекта типа 0, но никогда не устраняет её. Интегральная составляющая добавляет полюс в точке s = 0: тип системы повышается на единицу, и ступенька отслеживается без ошибки. Дифференциальная составляющая добавляет демпфирование. Чтобы подобрать коэффициенты, запишите характеристический полином замкнутой системы и сравните его с s² + 2ζωns + ωn². Тогда %OS = 100·e−ζπ/√(1−ζ²), tp = π/ωd, где ωd = ωn√(1 − ζ²), и ts ≈ 4/(ζωn).

Характеристический полином

s(s + 5) + 20·1 = s² + 5s + 20

ωₙ и ζ

ωₙ = √20 = 4,472 rad/s
ζ = 5/(2·4,472) = 0,559

Перерегулирование

%OS = 100·e−0,559π/√(1 − 0,559²) = 12,03 %

Ответ

%OS = 12,03 %
11.Переходная характеристика

Ответ: σ = −1,5

Переходная характеристика: система первого порядка G(s) = K/(τs + 1) отвечает на ступеньку величиной U сигналом y(t) = K·U·(1 − e−t/τ): за одну постоянную времени τ она достигает 63,2 % конечного значения K·U, а за 4τ — 98 %. Система второго порядка G(s) = K·ωₙ²/(s² + 2ζωₙs + ωₙ²) имеет полюсы s = −ζωₙ ± jωd, где ωd = ωₙ√(1 − ζ²). При 0 < ζ < 1 переходная характеристика перерегулируется: перерегулирование %OS = 100·e−ζπ/√(1−ζ²), время пика tp = π/ωd, а время установления по критерию 2 % ts ≈ 4/(ζωₙ). Сравните знаменатель с s² + 2ζωₙs + ωₙ², чтобы найти ωₙ и ζ. Для системы масса–пружина–демпфер ωₙ = √(k/m) и ζ = c/(2√(km)); для последовательной RLC-цепи ωₙ = 1/√(LC) и ζ = (R/2)·√(C/L).

Сравните со стандартной формой

Знаменатель должен совпадать с s² + 2ζωₙs + ωₙ².

ωₙ² = 15 → ωₙ = 3,873 rad/s
2ζωₙ = 3 → ζ = 3/(2·3,873) = 0,3873

Результат

σ = −ζωₙ = −3/2 = −1,5

Ответ

σ = −1,5
12.Переходная характеристика

Ответ: %OS = 53,02 %

Переходная характеристика: система первого порядка G(s) = K/(τs + 1) отвечает на ступеньку величиной U сигналом y(t) = K·U·(1 − e−t/τ): за одну постоянную времени τ она достигает 63,2 % конечного значения K·U, а за 4τ — 98 %. Система второго порядка G(s) = K·ωₙ²/(s² + 2ζωₙs + ωₙ²) имеет полюсы s = −ζωₙ ± jωd, где ωd = ωₙ√(1 − ζ²). При 0 < ζ < 1 переходная характеристика перерегулируется: перерегулирование %OS = 100·e−ζπ/√(1−ζ²), время пика tp = π/ωd, а время установления по критерию 2 % ts ≈ 4/(ζωₙ). Сравните знаменатель с s² + 2ζωₙs + ωₙ², чтобы найти ωₙ и ζ. Для системы масса–пружина–демпфер ωₙ = √(k/m) и ζ = c/(2√(km)); для последовательной RLC-цепи ωₙ = 1/√(LC) и ζ = (R/2)·√(C/L).

Собственная частота и коэффициент демпфирования

ωₙ = √(k/m) = √(500/10) = 7,071 rad/s
ζ = c/(2√(km)) = 28/(2·√(500·10)) = 0,198

Результат

%OS = 100·e−ζπ/√(1−ζ²) = 53,02 %

Ответ

%OS = 53,02 %

ExamProblems · examproblems.com/courses/mechatronic-systems